第七章_精馏塔的控制
典型化工单元的控制案例—精馏塔的控制(工业仪表自动化)
1、精馏塔温度控制为 什么常用灵敏板上的温度作 为被控变量？
2、精馏塔精馏段温度控 制为什么改变回流量而不改 变再沸器的加热量？
精馏塔是化工生产中重 要的分离设备，它利用混合 物中各组分挥发度的不同， 将混合物组分进行分离并达 到规定的纯度要求。
CONTENTS
02
-15%
03
03
有些干扰是可控的,有些干扰 是不可控的。一般对可控的主要 干扰可采用定值控制系统加以克 服。然而对不可控的干扰，它们 最终将反映在塔顶馏出物与塔底 采出量的产品质量上。
思考题
1、精馏塔液相进Байду номын сангаас流量 增加对塔顶产品有什么影响？
2、精馏塔塔压增加对塔 顶产品和塔底产品有什么影 响？
CONTENTS
01
塔压定值控制
进料流 量控制
回流量定 值控制
塔釜液 位控制
回流罐液 位控制
质量控制系统
03
塔压定值控制
A B
02
在实际生产过程中，由 于不同的物料性质，精馏塔 的类型不同，生产产品纯度 的要求不同等情况，可根据 现场具体情况采用各种不同 的控制方法。。
第七章 精馏塔的控制
j LR x j
D，XD
F，ZF Vs y k Ls x k-1 ↑ ↓ k
VS VR , LS LR F
进料为气相，且为露点，则：
Ls B,xB
VR Vs F , LR LS
物料平衡示意图
其它情况下的进料较为复杂，
VR Vs 1 q F LS LR qF
4、节能与经济性
回收率：
Ri 组分i的产品流量 100 ％ 进料中组分i的流量
例如：丙烯—丙烷塔，进料流量F，丙烯含量Ei，塔顶丙烯 产品流量D，则丙烯回收率 ＝D/(FEi )×100％ 其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。
能耗－产品纯度－回收率的关系
能耗不变时，产品纯度↑，回收率↓ 保证产品纯度时，能耗↑，回收率↑，但回收率增加 到一定程度时，提高的就不明显了。 保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最 佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少 些。
LR 定义回流比： R D
，则：
LR LR R VR LR D R 1
可通过回流比R和再沸器蒸汽量V→内部物料平衡→yj+1 回流比R↑，y~x斜率↑ 全回流（R=∞，D=0）时， yj+1 =xj为对角线
（3）提镏段物料平衡
再沸器物料平衡：
B LS VS
提馏段操作 线方程
个气泡时的温度称为泡点
全部变成饱和气相的温度称为露点。
精馏塔原理示意图
1、工艺流程 2、分类
板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔
穿流塔、浮喷塔、浮舌塔
填料塔
增加气液两相的接触面积 乱堆填料，规整填料
精馏塔物料流程图
3、机理复杂、控制难度大
精馏塔的控制方式
精馏塔的控制方式字体: 小中大| 打印发表于: 2007-7-25 21:15 作者: chjzhou 来源: 海川化工论坛精馏塔的控制方式很多,其中有:1.提留段温度控制2.精馏段温度控制3.精馏塔温差控制4.恒流控制5.双温差控制6.压差控制7.在线仪表监测控制过路的朋友一起交流一下那种控制自动化程度更高,操作人员的参与度最少,对于生产最经济,交流的朋友别忘了写下你的理由哦答案不是重要的,你的理由却是非常重要的,欢迎讨论啊,一起学习我也来说两句查看全部回复最新回复∙chping80 (2007-7-25 21:36:13)我认为精馏段温度控制更好，更能说明精馏塔的运行情况！∙chjzhou (2007-7-26 09:10:51)压差控制比较好(以下是摘抄版)蒸汽压力突然变化时，将直接影响塔釜难挥发组分的蒸发量，使当时塔内热量存在不平衡，导致气-液不平衡，为此如何将塔釜热量根据蒸汽进料量自动调节达到相对稳定，从而保证塔内热量平衡是问题的关键。
在生产过程中，各精馏塔设备已确定，塔釜蒸发量与气体流速成正比关系，而流速与塔压差也成正比关系，所以控制好塔顶、塔釜压力就能保证一定的蒸发量，而在操作中，塔顶压力可通过塔顶压力调节系统进行稳定调节或大部分为常压塔，为此，稳定塔釜压力就特别重要。
于是在蒸汽进料量不变情况下，我们对蒸汽压力变化情况与塔釜压力的变化进行对比，发现两者成正比关系，而且滞后时间极小。
于是将蒸汽进料量与塔釜压力进行串级操作，将塔釜压力信号传递给蒸汽流量调节阀，蒸汽流量调节阀根据塔釜压力进行自动调节，通过蒸汽进料量自动增大或减少，确保塔釜压力稳定，从而保证了精馏操作不受外界蒸汽波动的影响。
[本帖最后由chjzhou 于2007-7-26 17:05 编辑]∙zzna (2007-7-26 09:16:01)精馏段温度控制和温差控制结合！∙weiqj (2007-7-26 15:49:50)3＃楼是从一个叫做“好男人”的博客中的《精馏塔操作及自动控制系统的改进》摘抄其中一段。
精馏塔的控制
精馏塔的控制12.1 概述•精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。
•分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。
•精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。
精馏塔的特点精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。
而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。
一、精馏塔的基本关系（1）物料平衡关系总物料平衡： F=D+B (12-1) 轻组分平衡：F z f =D x D +B x B (12-2) 联立（12-1）、（12-2）可得：（2）能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解分离度的概念。
所谓分离度s 可用下式表示：DB D f D BB f D x x x z F D x x z D Fx --=+-=)((12-3))1()1(D B B Dx x x x s --=(12-5)可见，随着s 的增大，x D 也增大，x B 而减小，说明塔系统的分离效果增大。
影响分离度s 的因素很多，如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及塔内上升蒸汽量V 和进料F 的比值等。
对于一个既定的塔来说：式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示： 或可表示为：式中β为塔的特性因子由上式可以看到，随着V /F 的增加，s 值提高，也就是x D 增加，x B 下降，分离效果提高了。
由于V 是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。
由上分析可见，V /F 的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。
精馏塔的控制方案(课堂PPT)
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4
三、精馏塔的自动控制
以乙醇-水的分离为例，采用精馏塔的精馏段温控方案
如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标， 而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控。
图10-43 精馏段温控的控制方案示意图
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5
被控变量的选择：塔顶产品的成分要求比较高，二元系统精 馏时，p-t-x三者之间有一定的关系，考虑精馏塔工艺合理 性，塔压需要固定，气液平衡和挥发度才能稳定，t-x单值 对应关系才成立，所以以精馏段温度为被控变量，进行间 接指标控制；
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9
在采用精馏段温控时，当分离的产品较纯时， 由于塔顶或塔底的温度变化很小，对测温仪表的灵 敏度和控制精度都提出了很高的要求，但实际上却 很难满足。解决这一问题的方法，是将测温元件安 装在塔顶以下几块塔板的灵敏板上，以灵敏板的温 度作为被控变量。
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操纵变量的选择：影响精馏段温度的因素很多，从工艺角度 看，回流液量和蒸汽流量为可控因素，从两个因素对精馏 温度的影响看，回流量通道短，更及时、更显著，所以选 择回流液量为操纵变量。
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6
控制器正反作用的选择：
对象的作用：回流量增大，精馏塔温度降低，为反作用；
执行器作用：从安全考虑，当没有信号时，回流液量不 能过小，即没有信号时阀门要开，执行器采用气关式， 为反作用；
控制器作用：考虑整个控制系统为负反馈，控制器采用 反作用
当精馏塔温度偏高时，控制器是反作用，所以控制器 的控制作用减弱；执行器也是反作用，档控制作用减 弱时，执行器的阀门开度是增大的，使回流液量增大， 从而使精馏段的温度降低，达到控制目的。
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7
第七部分 精馏塔的控制new
7.2 精馏塔的特性
一、 物料平衡和内部物料平衡
1．物料平衡 *总物料平衡：F = D + B *轻组分物料平衡：FZF DxD BxB XD 、 分别是进料、塔顶和塔底出料中轻组分的轻组分含量 X ZF 和 B 。单位为摩尔分率。
由上两式子，得到：
D ZF X B B X D ZF ; ; F XD XB F XD XB
7.1
精馏塔的控制要求和扰动分析
一、 精馏塔的控制要求 1．质量指标 *塔顶或塔底产品的组分达到一定纯度指标 另一端产品在规定的范围内 *塔顶和塔底产品均达到一定的纯度指标 2．产品质量 *总物料平衡：进料量=塔顶馏出量+塔釜出料量 3．能量平衡和经济性指标 *输入和输出的能量应平衡 *塔压应维持恒定 4．约束条件：防止突变 液泛限和漏液限：气相速度的上限和下限 操作压力限：塔压得上限 临界温度限：再沸器两侧温度差值的下限
7.3 精馏塔被控变量的选择
灵敏板的温度控制 灵敏板： •静态：在扰动下，一个稳态到另一个稳态时塔板温度变化更大的塔板 •动态：灵敏板与上下塔板间的浓度差最大 注意事项： •灵敏板应在正反扰动下有相近的温度差变化，以使系统有线性关系 •对既定塔和操作条件，可计算出大致灵敏板位置，再实际调整 •工况变化时，板效率变化，灵敏板位置也会变化 中温控制： •检测点位置：进料板稍上或稍下塔板温度作为被控变量 •选用依据： 可较快的感受进料的变化，及时发现操作线的变化 •注意事项： •在北京有机化工厂有应用，日本也有较多应用 •进料浓度变化较大，分离要求较高时不宜采用 •不能及时反映塔顶和塔底的成分变化
s X D (1 X B ) ; X B (1 X D ) XD sX B ; 1 X B ( s 1) XB XD X D s(1 X D )
精馏塔控制
V SθF,F ,Z F B ,X B L R D ,X D 图1 精馏塔的物料流程图精馏塔控制及设计摘要：精馏操作是化工生产过程中一个十分重要的环节，精馏的实质，就是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即在同一温度下各组分的蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，而汽相中的重组分转移到液相中，从而实现分离的目的。
关键词 自动化控制 物料平衡和能量平衡 温度控制一、精馏塔介绍一般精馏装置由精馏塔塔身、冷凝器、回流罐以及再沸器等设备组成，如图（1）精馏塔的物料流程图中所示。
精馏塔的控制直接影响到工厂的产品质量、产量和能量的消耗.。
随着化工的迅速发展，精馏操作应用越来越广泛。
由于所分离的物料组分不断增多，对分离产品的纯度要求亦不断提高，这就对精馏的控制提出了更高的要求。
此外，对于精密精馏，由于所分离产品的纯度要求很高，若没有相应的自动控制与其配合，就难于达到预期的效果。
因此，精馏塔的自动控制极为重要，亦很受到人们的注意。
二、精馏塔的控制要求精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，回收率最高和能耗最低，或使塔的总收益最大，或总成本最小，一般来讲应满足如下三方面要求。
（1）质量指标 塔顶和塔底产品之一应保证合乎规定的纯度，另一产品的成分亦应维持在规定范围；或者塔顶和塔底的产品均应保证一定的纯度。
就二元组分精馏塔来说，质量指标的要求就是 使塔顶产品中的轻组分含量和塔底产品中重组分的含量符合规定的要求。
而在多元组分精馏塔中，通常仅对产品质量影响较大的关键组分可以控制。
（2）物料平衡和能量平衡塔顶馏出液和塔底釜液的平均采出量之和应该等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较和缓，以利于上下工序的平稳操作，塔内及顶、底容器的蓄液量应介于规定的上下限之间。
精馏塔的输入、输出能量应平衡，使塔内操作压力维持稳定。
（3）约束条件为保证精馏塔的正常、安全操作，必须使某些操作参数在约束条件之内，常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。
精馏塔的自动控制
要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标。精馏塔
的控制目标一般从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。任何精馏塔的操
作情况同时受约束条件的制约，因此，在考虑精馏塔控制方案时一定要把这些因
素考虑进去。
1．质量指标
质量指标（即产品纯度）必须符合规定的要求。一般应使塔顶或塔底产品之
一达到规定的纯度，要求另一个产品也应该维持在规定的范围之内，或者塔项和
开的方法减少相关；或者采用解耦控制。需指出的是，此时不仅要考虑到系统的 静态特性，也需要考虑其动态影响。
（5）考虑整个工艺生产过程的平稳操作 由于精馏塔往往是生产过程中的一个环节，因此不仅前一工序的操作情况要 影响精馏塔的操作，而且它的产品产量和成分变化也要影响到后一工序的操作。 于是在设置精馏塔的控制方案时，必须协调前后工序的关系。在某些考虑前后工 序关系的整个生产过程的控制中可以采用逆流向物料平衡控制方案。这种控制方 案中，前一工序的调节是根据后一工序的需要而定的。例如在精馏塔中，可根据 后一工序对顶部产品量的需要改变产品馏出液量，而馏出液量的变化会引起回流 罐的液位变化，可通过液位调节改变塔的进料量来实现。这种逆流向方案，可使 整个生产过程稳定并可减少回流罐等中间容器的容积。 （6）塔压调节与浮动压力操作 在精馏塔的自动控制中，保持塔压恒定是稳定操作的条件。这主要是由两方 面的因素决定的，一是压力的变化将引起塔内气相流量和塔顶上汽液平衡条件的 变化，导致塔内物料平衡的变化。二是由于混合组分的沸点和压力间存在一定的 关系，而塔板的温度间接反映了物料的成分。因此，压力恒定是保证物料平衡和 产品质量的先决条件。在精馏塔的控制中，往往都设有压力调节系统，来保持塔 内压力的恒定。 而在采用成分分析用于产品质量控制的精馏塔控制方案中，则可以在可变压 力操作下用温度调节或对压力变化补偿的方法实现质量控制。其做法是让塔压浮 动于冷凝器的约束，而使冷凝器始终接近于满负荷操作。这样，当塔的处理量下 降而使热负荷降低或冷凝器冷却介质温度下降时，塔压将维持在比设计要求低的 数值。压力的降低可以使塔内被分离组分间的挥发度增加，这样使单位处理量所 需的再沸器加热量下降，节省能量，提高经济效益。同时塔压的下降使同一组分 的平衡温度下降，再沸器两侧的传热温度增加，提高了再沸器的加热能力，减轻 再沸器的结垢。浮动压力操作可以显著提高精馏生产的经济效益。但是由于塔压 的波动会产生精馏塔的不平稳扰动。因此在实际生产中，采用不多。 （7）根据热力学观点等选取节约能量的方案
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气液平衡→气相中轻组分浓度高
液相中重组分浓度高
多层塔板连续的气液平衡→提高产品纯度
塔顶以气相形式抽出→轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出→重组分浓度高
塔顶－塔底形成下高上低的温度梯度分布
梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好
第一节 概 述
一、精馏
利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离。如石油裂解气 含多种成分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、 乙炔、丙炔等，耗能占40－50％
j LR x j
沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分
气液平衡→气相中轻组分浓度高 液相中重组分浓度高
多层塔板连续的气液平衡→提高产品纯度 塔顶以气相形式抽出→轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出→重组分浓度高
塔顶－塔底形成下高上低的温度梯度分布
梯度越大，则传质传热的过程液体混合物出现第一 露点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物加热汽化
D 0.5 0.05 0.50 F 0.95 0.05
ZF变到0.4 时
F xD Z F 0 0.8 D
此时必须减小D才能够达到质量要求
2、内部物料平衡
精馏塔计算中的重要假设： 同一塔段（精馏段或提馏段）的上下塔板气相、液相摩尔流量相同：
Ln1 Ln Vn1 Vn
能量平衡影响因素：进料温度
再沸器加热量 冷凝器冷却器 环境温度
（4）可控扰动：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷 却量，采出量。 不可控扰动：进料流量（主要扰动） ，进料组成（主 要扰动） ，环境温度
四、精馏塔控制的特点
多入多出过程
动态响应慢 变量间互相关联
第二节 精馏塔的特性
一、物料平衡和内部的物料平衡（静态）
全塔的物料、各组分 塔内部各段（进料板、精馏段、提馏段）总物料各组分——均应保持物 料平衡
1、全塔物料平衡 对于二元精馏： F D B FZF DxD BxB
F为进料流量（kmol/h）; D为塔顶馏出液采出量（kmol/h） B为塔底釡液采出量（kmol/h） ZF，xD，xB分别表示进料、馏出液、釡液中轻组分的摩尔分率。 解得： F D Z F xB （7-3）
n-1 n
n+1
（1）进料板物料平衡
提馏段各板：
V Vs , L LS
VR
R R
精馏段在回流液的温度为沸点的情况下 各板： V V , L L 从而进料板物料平衡：
↓LS ↑VS
F↓ ↓LR ↑VR
↑ VR y j+1
↓
F LR Vs VR LS
进料为液相，且为泡点，则：
8
产品回收率
V/F=2 4
6
产品纯度（对比）
三、精馏塔的扰动分析
（1）分析各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，可 以合理的设计控制方案。
（2）各种扰动对产品纯度、回收率、能耗的影响都是通过 物料平衡和能量平衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡 之间又是相互影响的。 （3）物料平衡影响因素：进料流量 进料组成 塔顶，塔底产品采出量及组成
4、节能与经济性
回收率：
Ri 组分i的产品流量 100 ％ 进料中组分i的流量
例如：丙烯—丙烷塔，进料流量F，丙烯含量Ei，塔顶丙烯 产品流量D，则丙烯回收率 ＝D/(FEi )×100％ 其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。
能耗－产品纯度－回收率的关系
能耗不变时，产品纯度↑，回收率↓ 保证产品纯度时，能耗↑，回收率↑，但回收率增加 到一定程度时，提高的就不明显了。 保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最 佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少 些。
个气泡时的温度称为泡点
全部变成饱和气相的温度称为露点。
精馏塔原理示意图
1、工艺流程 2、分类
板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔
穿流塔、浮喷塔、浮舌塔
填料塔
增加气液两相的接触面积 乱堆填料，规整填料
精馏塔物料流程图
3、机理复杂、控制难度大
多输入多输出，滞后大，变量之间相互关联，机理复杂，控 制要求高
3、约束条件
液泛限：气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中， 称为“雾沫夹带”，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板 倒流到上层塔板，称为液泛。气相速度的上限称为液泛限。 （另外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛） 漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相 速度的下限称为漏液限。 压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气 液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。 临界温差限：主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温 差越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧 下降，不能保证正常传热。
二、控制要求
在保证产品质量合格的前提下，回收率最高，能耗最低 或总收益最大，或总成本最低
1、质量指标－产品的纯度：
二元组分精馏：
多元组分精馏塔：通常只能控制其中的关键组分的浓度
轻关键组分：挥发度较大而由塔顶镏出的关键组分 重关键组分：挥发度较小而由塔底镏出的关键组分
2、保证平稳操作
物料平衡：塔顶产品和塔底产品流量之和应等于进料量， 塔底液位、回流罐液位、各塔板持液量均保持不变。 能量平衡：进料热量＋塔底再沸器加热量＝塔顶产品热 量＋塔底产品热量＋塔顶冷凝器冷却热量＋热量损失 进料、冷剂、加热剂的控制
xD
D
Z F xB xB
F
xD xB
或
F B xD Z F xB xD xD Z F B F xD xB
（7-4）
表明：xD与xB之间的关系受F/D（或F/B）、ZF的影响。 进料在产品中的分配比一定，则顶、底两产品中轻组分组成关系一定。 xD↑则xB↓，反之， xB ↑， xD ↓。 例： ZF=0.5 要求xD＝0.95, xB=0.05
第七章 精馏塔的控制
第一节：概述 第二节：精馏塔的特性（动态和稳态） 第三节：精馏塔受控变量的选择 第四节：精馏塔的基本控制
第一节 概 述
一、精馏
利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离如石油裂解气含多种成 分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、丙炔等耗 能占40－50％
沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分